数字抢答器的设计 电气毕业论文.doc

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1、 专科生毕业设计题 目： 数字抢答器的设计 专业年级： 学生姓名： 学 号： 指导教师： 完成时间： 2011 年 06 月 15 日 专科生毕业设计（论文）任务书学生姓名： 学号： 学 院： 专业：电气自动化技术任务起止时间：2011 年 05 月 15 日至 2011 年 06 月 16 日毕业设计（论文）题目：数字抢答器的设计毕业设计工作内容：1.指导老师给命题2.确定命题3.进行文献调研，并设计出研究方案4.书写毕业论文5.毕业论文答辩资料：1.杨志忠.数字电子技术.第二版。M.北京：高等教育出版社，2003.2.柳春锋.Protel 99 SE实用教程.M.北京：高等教育出版社，20

2、073.何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学，1990指导教师意见： 签名：年 月 日系主任意见：签名：年 月 日数字抢答器的设计摘 要数字抢答器由主体电路与扩展电路组成，其中包括抢答电路、定时电路、报警电路、时序电路。优先编码电路、锁存器、译码电路将参赛队的输入信号在显示器上输出；用控制电路和主持人开关启动报警电路，以上两部分组成主体电路。通过定时电路和译码电路将秒脉冲产生的信号在显示器上输出实现计时功能，构成扩展电路。本文所阐述的抢答器采用了现在流行的数字式，因为数字显示抢答器具有功能可靠、安装容易、操作简单、表现效果好等特点，是调动现场观众参与热情，提高

3、栏目可看性、增强栏目互动性、方便栏目环节创意的有力工具。自动锁存显示结果，并自动复位的设计思想，因而本抢答器具有显示直观，不需要人干预的特点。而且在显示时抢答器会发出嘀嘀声使效果更为生动。关键字： 抢答电路 优先编码电路 报警电路 显示电路目 录摘 要I第1章 概述11.1 已了解的本课题研究现状11.2 本课题的研究目的及意义1第2章 设计任务与要求32.1 抢答器方案设计32.2 锁存器32.3 优先编码器42.4 译码器52.5 设计的要求6第3章 硬件设计83.1 实验原理83.2 抢答电路83.3 音频电路93.3.1 整机调试93.4 复位电路93.5 电源电路93.5.1 变压器

4、103.5.2 整流电路103.5.3 滤波电路113.5.4 稳压电路113.5.5 显示电路12第4章 抗干扰设计134.1 硬件抗干扰设计13总 结14参考文献15附 录16第1章 概述1.1 已了解的本课题研究现状数字技术是当前发展最快的学科之一，数字逻辑器件已从60年代的小规模集成电路(SSI)发展到目前的中、大规模集成电路（MSI、LSI）及超大规模集成电（VLSI）。相应地，数字逻辑电路1的设计方法在不断地演变和发展，由原来的单一的硬件逻辑设计发展成三个分支，即硬件逻辑设计（中、小规模集成器件）、软件逻辑设计（软件组装的LSI和VSI，如微处理器、单片机等）及兼有二者优点的专用集

5、成电路（ASIC）设计。目前数字电子技术已经广泛地应用于计算机，自动控制，电子测量仪表，电视，雷达，通信等各个领域。例如在现代测量技术中，数字测量仪表不仅比模拟测量仪表精度高，功能高，而且容易实现测量的自动化和智能化。随着集成技术的发展，尤其是中，大规模和超大规模集成电路的发展，数字电子技术的应用范围将会更广泛地渗透到国民经济的各个部门，并将产生越来越深刻的影响。1.2 本课题的研究目的及意义对于抢答器我们大家都知道那是用于选手做抢答题时用的，抢答器不仅考验选手的反应速度同时也要求选手具备足够的知识面和一定的勇气。在竞赛的时候，进入抢答题环节，选手根据主持人的要求，进行抢答时，按动放在选手台上

6、的抢答按钮即可，抢答信息会及时通过电脑反馈到显示界面（大屏幕和电视墙），显示出是几号台抢答成功或违例。选手按抢答按钮时严禁用力拍打，更不能始终按住不放，有的计算机对键盘检测时，发现始终按下的键会出现鸣笛提示。正确的使用方法是，抢答时，按下即要放手。主持人按钮设计的比较小，是为了主持人操作方便，如果主持人手里拿麦克、题签的话，建议将主持人控制按钮与麦克风捆绑在一起，这样方便操作。主持人正确的操作是在说“开始”的同时，按下主持人按钮，这样保证此时抢答的选手是正确的抢答，而提前的抢答是违例抢答。如果按的过早，没有说“开始”就按，一旦选手按抢答按钮，会使违例抢答变成正常抢答，这样其他选手会对主持人有异

7、议。如果按的过晚，已经说“开始”了，还没有按主持人按钮，选手抢答就会变成违例抢答，照样会遭到选手异议。这种抢答方式对主持人的要求很高。主持人如果按下按键，那么选手按抢答按钮时候，就是正常抢答，即抢答成功获得答题权。如果主持人没有按按键，选手就抢答的话，那么就是违例抢答。第一种方式主持人按下按钮时一般要求与说“开始”同步，这就要求主持人绝对高度集中精神。一两道题可以，多了，难免会有口和手不一致的时候，所以抢答器添加一个主持人预备功能。就是主持人读题结束后，说预备，按下主持人按钮或者由计算机操作人员按下“抢答预备”，这样，在软件界面显示3、2、1、开始。只有出现了开始的字样，抢答才有效。没有出现开

8、始字样，抢答是无效的。这样就基本解放了主持人，不会产生选手与主持人之间的矛盾。为了减轻主持人压力，该抢答器实现了以下功能和目的：1.抢答器同时供8名选手抢答，分别用8个按钮表示，同时设置一个主持人开关控制系统的清除和开始。2.报警电路为系统提供报警，分别在开始抢答、第一个选手请打、倒计时到0及错误抢答时发出警报。3.抢答器开始添加了取消使用主持人按钮，采用随时抢答的方式。规则规定，试题显示后，主持人读题，选手可以随时抢答，每次抢答，题目出现暂停，抢到的就回答问题。这样做，就避免了主持人与选手因抢答问题的冲突。第2章 设计任务与要求2.1 抢答器方案设计目前所使用的抢答器存在分立元件使用较多，造

9、成每路的成本偏高，而现代电子技术的发展要求电子电路朝数字化、集成化方向发展，因此设计出数字化全集成电路的多路抢答器是现代电子技术发展的要求。笔者按照这一要求，并根据74LS373八路锁存器的功能特点，用74LS373和其它几块常用的74LS系列2数字集成电路设计出了一款数码显示八路抢答器电路，该电路具有成本低、元器件容易得到、路数多、数码直观显示、性能稳定等诸多优点。如图1所示：图1 八路抢答器的原理图锁存器输入信号均为同一电平时，控制电路输出控制信号使锁存器打开，这时锁存器输入端的电平送往相应的输出端，当有一输入端电平发生跳变时，其对应输出端电平也随着变，此变化的输出电平送入控制电路，控制电

10、路产生使锁存器锁存的控制信号，锁存器一旦进入锁存工作状态，无论哪个输入端电平发生变化，各输出端电平均保持不变，与其它输出端电平不同的那个输出端的电平经编码器编码后送入数码显示译码器，控制驱动器驱动七段数码管进行数码显示。2.2 锁存器锁存器选用74LS373八路锁存器， 编码器用74LS147 10-4线编码器，数码显示驱动器用BCD七段译码器74LS47与共阳极七段数码管TL542型搭配，控制电路由八输入与非门74LS30和非门74LS04反相器, 用上述器件设计成的电路原理图如图2所示3。图2 八路抢答器的电路原理图输入锁存：当八路锁存器74LS373的S端为高电平时，锁存器输入端（1D、

11、2D、3D、4D、5D、6D、7D、8D）的电平能直接送到相应的输出端（1Q、2Q、3Q、4Q、5Q、6Q、7Q、8Q），当S端由高电平变到低电平时，锁存器锁存，即输入端电平不能送到输出端，各输出端保持锁存前的电平。先将开关S置于2，此时74LS373的LE端为高电平，其各输入端的高电平直接送到各相应的输出端，从而使与非门74LS30的八个输入端均为高电平，导致其输出为低电平，经非门1后变成高电平，再由或门送到74LS373的S控制端，然后将开关S置于1，这时由于或门的另一输入仍为高电平，故S控制端仍保持高电平，当八个按钮开关AN0、AN1、AN2、AN3、AN4、AN5、AN6、AN7中有一

12、个先按下时，其对应的D端变为低电平，此低电平经锁存器送到相应的输出端，这时74LS373的八个输入端中因有一个端变低电平，所以它的输出端变为高电平。经非门1和或门后，使LE控制端由高电平变成低电平，74LS373执行锁存功能，如果这时还有按钮按下，锁存器对应的输出端电平也不会变。2.3 优先编码器优先编码器4是当多个输入端同时有信号时，电路只对其中优先级别最高的输入信号进行编码。本设计采用74LS147优先编码器，原理图如图3所示。图3 74LS47的原理图74LS147优先编码器的输入端和输出端都是低电平有效，即当某一个输入端低电平0时，4个输出端以低电平0的输出其对应8421BCD编码。当

13、9个输入全为1时，4个输出也全为1，代表输入十进制数0的8421BCD编码输出。2.4 译码器把代码的特定含义“翻译”出来的过程叫做译码，而实现译码操作的电路称为译码器5。1.正常译码显示只要灭灯输入信号和试灯输入信号为高电平（也可悬空，下同），就可对输入为十进制数115的二进制码（00011111）进行译码，产生显示115所需的七段显示码（其中1015用特殊符号显示）。如果试灯、灭零输入信号和灭灯、灭零输入信号均为高电平，则译码器对输入十进制数0的二进制码（000）进行译码；2.灭灯输入当灭灯输入直接接高电平时，不管其他各输入端为何状态，各段输出均为高电平，数码管所有发光段均熄灭。不需要显示

14、时，利用这一功能使数码管熄灭，可以降低显示系统的功耗；3.灭零输入信号当灭零输入和A3、A2、A1、A0输入端为低电平，而灯测试输入为高电平时，所有各段输出均为高电平，使数码管全灭，不显示0字形，同时灭零输出变为高电平（响应条件），用以指示译码器正处于灭零状态；4.灯测试功能当灯测试输入加入低电平，并且端为开路或保持高电平时，所有各段输出均为低电平，数码管显示数字“8”。利用这一功能可用来检查74LS48和数码管七个发光段的好坏。是线与逻辑，作灭灯输入或灭零输出之用，或兼作两者之用。译码器74LS47的真值表见表1。表1 74LS47的真值表2.5 设计的要求该抢答器电路由抢答触发控制电路、复

15、位电路、音频电路和LED显示驱动电路，图见附录1。抢答触发控制电路由抢答按钮S1S8、电阻器R1R8和锁存器集成电路U2组成。复位电路由复位按钮S9、电阻器R9、电容器C5、C6、及U2电路组成。音频电路由与非门集成电路U3、非门集成电路U5内部的非门D1、D2和电阻器R10，晶体管V、蜂鸣器HA组成。LED显示驱动电路由编码器集成电路U4、非门集成电路U5内部的非门D3D6、译码集成电路IC4和LED数码显示器组成。接通电源后，+5V电压经C5为U2的1脚提供一个高电平复位脉冲，使U2清零复位。在未按动S1S8时，U2的输入端和输出端均为高电平，HA不发声，LED数码显示无显示。当S1S8中

16、某按钮被按动后，U2中与该按钮相接输入端将变为低电平，与其相对应的输出端也由高电平变为低电平，使U3输出高电平，非门D1、D2的输出端均由高电平变为低电平。D1输出的低电平使U2 内部电路工作，将该路输出锁存为低电平，D2输出的低电平使V导通，HA发出提示声。U2输出的低电平经IC2优先编码及D3D6反相处理后，通过U6驱动LED数码显示器显示出相应的数字（若按动S4，则U2的8脚和9脚将变为低电平LED数码显示器显示数字“4”）。该抢答器具有优先抢答功能，当某一路抢答按钮被按下后，再按其他各路按钮时，抢答器不会再次触发。只有按动复位按钮S9，使U2清零复位后，LED数码显示器上的数字消失，才

17、能进行下一论抢答。元器件选择：R1R18选用1/4W 碳膜电阻器或金属电阻器。其中R1R8也可选用10K8的电阻排（集成电阻，俗称排组），R11R18可选用5608的电阻排。C1、C2、C3、C4、C5和C6均选用独石电容器。V选用C8550或S8550型硅PNP晶体管。BG1选用电桥，T1选用9/5V的变压器，U1选用7805集成稳压器。U2选用74LS373型八D触发器（锁存器）集成电路；U4选用74LS147型10线4线优先编码器集成电路；U3选用74LS30型八输入端与非门集成电路；U6选用74LS47型BCD七段译码驱动器集成电路；U5选用74LS04或CD4069型六非门集成电路。

18、S1S9均选用微型动合按钮。LED数码显示器选用TL542型共阳极LED数码管。LED1选用发光二极管。HA选用5V有源蜂鸣器。第3章 硬件设计3.1 实验原理定时抢答器的总体框图如图4所示，图4 原理框图它的主体电路完成基本的抢答功能，即开始抢答后，当选手按动抢答键时，能显示选手的编号，同时能封锁输入电路，禁止其他选手抢答。当选手按动抢答键时，抢答器要完成以下四项工作：优先级电路立即分辨出抢答者的编号，并由锁存器进行锁存，然后由译码显示电路显示编码；扬声器发出声响，提醒节目主持人注意；控制电路要求输入编码电路进行封锁，避免其他选手再次进行抢答；停止工作，显示保持到主持人将系统清零为止6。当选

19、手将问题回答完毕，主持人操作控制开关，使系统回复到禁止状态，以便进行下一轮抢答。3.2 抢答电路抢答触发控制电路由抢答按钮S1S8、电阻器R1R8和锁存器集成电路IC1组成。系统原理图见附录电路功能：一是将抢答选手的编号识别出并锁存显示到数码管上，二是使其他选手按键无效；三是有人抢答时输出时序控制信号，使计数电路停止工作并报警。把主持人的控制开关设置为“清除”位置，用万用表检查RS触发器的端为低电平，输出端(8Q1Q)全部为高电平。于是74LS373的输出端为0，经过74LS04后变为1。LE端接高电平无效, 此时锁存电路不工作,显示器显示0。然后把主持人的控制开关拨到“开始”位置，优先编码电

20、路和锁存电路同时处于工作状态，即抢答器处于等待工作状态，给8路抢答端口即输入端给上低电平的输入信号，如有选手按键时（如按下S5），74LS373的输出8Q7Q6Q5Q4Q3Q2Q1Q=11101111，经74LS373锁存器后74LS30的输出端为1，经74LS04后变为0，74LS373处于工作状态,经74LS373锁存器后，显示器上显示出“5”。此时使其它按键的输入信号不会被接收。3.3 音频电路音频电路7由与非门集成电路U3、非门集成电路U5内部的非门D1、D2和电阻器R10，晶体管V、蜂鸣器HA组成。3.3.1 整机调试1.开始时，主持人将控制开关按一下，抢答电路部分锁存器74LS37

21、3的状态输出全为1，与非门74LS30的输出为0，74LS30的灭灯输入与锁存器74LS373的LE相接，故抢答电路无显示（清除）。2.在没有人按键时，优先编码器QX输出为1，74LS30输出为0，经过74LS04反向器输出为1，优先编码器不工作。3.当有人按下抢答按键时，QX至少有一个输出为“0”，74LS30输出为1，经过74LS04反向器输出为0,优先编码器工作； 此后选手的抢答无效，电路将按键者的编号显示在LED上。4.与非门74LS30输出由0变到1，三极管8550打通，蜂鸣器连续发声报警。3.4 复位电路复位电路由复位电路由复位按钮S9、电阻器R9、电容器C5、C6、及U2电路组成

22、。由RESET开关控制,当按下RESET开关时芯片74LS373的1管脚/OE无效,此时锁存器不进行工作,经编码器和译码器工作后数码管显示为0。3.5 电源电路电源电路以三端集成稳压管7805为核心，为系统提供+5V的直流稳压电。其输入直接取自现场的市电，电源由变压器、整流电路、滤波电路和稳压管8等部分组成。图5 电源原理图3.5.1 变压器变压器取普通的铁芯变压器，本设计中，为提高系统可靠性，采用双变压器形式，-5V小电流电压电源采用小功率变压器，功率为2W，其输入为市电（220V）输出为9V，+5V大电流电压电源采用功率相对较大，功率为6W，其输入为市电（220V），输出为9V。3.5.2

23、 整流电路如图6是整流电路原理图，其中IN4007是快速整流二极管，额定正向工作电流1A，反向耐压为1000V。四个二极管构成全波整流电路。桥式整流电路整流以后，就把交流电压变成波动的电压。我们必须要加滤波器件，降低其波动成份，保留直流成份，尽可能使输出电压达到理想中的直流电压。在这里采样35V/220uf的电容来滤低频部份，104（0.1uf）来滤高频部份。图6 整流电路原理图整流是利用二极管的单相导电性将交流电压变成单向脉动电压。小功率的直流电源中，经常采用单相半波、单相全波和单相桥式整流电路。本系统中采用单相桥式整流电路。单相半波整流电路的输出电压最低，且其脉动系数最高。桥式整流电路和全

24、波整流电路当输入V2相同时，输出的电压相等，脉动系数也相同，但桥式整流电路中每个整流管所承受的反向峰值电压比全波整流电路为低，故而选用之。3.5.3 滤波电路经过桥式整流电路整流后，交流电压变为脉动的电压。我们必须将之加以滤波，以降低脉动成分，保留其直流成分，使输出电压最大程度上达到理想的直流电压。电容和电感都可以作为基本的滤波元件，也是组成滤波电路的主要元件，这是利用它们在二极管导电时的储能和释放能量的过程而得到比较平滑的波形。因电容相对来说较为经济和通用，故本设计中选用电容为电源电路的滤波元件，如图6所示。滤波电容可由下面计算得知：经桥式整流后输入电压为9V，若电流为1A，则，RLC=(3

25、5)/2T，T为交流电压周期0.02S，RL为负载电阻：RL=V/I RL=9V/1A=9，则C1=4/20. 2/9=460uf，其电压值为两端电压2倍左右，取25V，从而确定C1 的型号为470uF/25V。增加电容C1的容量，可以提高输出电压平均值，并减小脉动；C2为胆电容，0.1F，主要用来消除交流电压的高频纹波；C3为470uF, C4为0.1F主要用来消除交流电压的高频纹波；其中电阻R18为560,LED1，进一步提高输出电压的稳定性。3.5.4 稳压电路经过整流电路和滤波电路后得到平滑的直流电压，但其电压值还受到电网电压波动和负载电流变化的影响。要得到稳定的电压输出，必须加稳压电

26、路。本设计中采用了78XX系列9（79XX系列为相应的负电压输出）三端固定电压集成稳压器。这类产品的封装只有三个管脚，即输入端、输出端和公共端，其具有使用方便、性能稳定、价格低廉等优点。三端固定正输出集成稳压器L78XX系列的输出电压为5V、6V、9V、12V、15V、18V和24V，共七个档次。它们型号的后两位数字就表示输出电压值。在本设计中使用了L7805稳压器，输出电压为5V。考虑到系统的功耗问题，设计中进行了扩流处理，将其输出的电流扩大到1A。如图7所示：图7 稳压电路原理图L7805CV是5V的稳压器件，工作温度范围在55150度，输入电压范围8V20V，输出电压4.8V5.2V，输

27、出电流IO=5mA1A。1引脚是输入端，2引脚是输出端，3引脚是公共端接地。图中的C7,C8,C9也都是滤波用的，使电压更稳定。经过整流、滤波和稳压电路后，我们才能得到基本上不受外界影响的、稳定的直流电压5V系统电压。3.5.5 显示电路LED显示驱动电路由编码器集成电路IC2、非门集成电路IC5内部的非门D3D6、编码集成电路IC4和LED数码显示器组成。接通电源后，+5V电压经C2为IC1的1脚提供一个高电平复位脉冲，使IC1清零复位。在未按动S1S8时，IC1的输入端和输出端均为高电平，HA不发声，LED数码显示无显示。第4章 抗干扰设计4.1 硬件抗干扰设计硬件线路板使用PROTEL软

28、件绘制双面板，模拟地、数字地严格分开，分画在PCB板的两面，只在最后一点与电源地相连，地线尽量宽。降低噪声与电磁干扰的一些方法：输入输出全部采用光电耦合器隔离驱动，采用如图8接线。需注意的是2、5脚的地不是同一系统地，4、5脚之间的10K电阻必须接好。在每一个芯片的VCC 与GND之间都要焊一只1uF退耦电容。图8 光电耦合器接线示意图降低噪声与电磁干扰的一些方法：1.能用低速芯片就不用高速的，高速芯片用在关键地方。2.可用串一个电阻的办法，降低控制电路上下沿跳变速率。3.印制板尽量使用45折线而不用90折线布线以减小高频信号对外的发射与耦合。4.印制板按频率和电流开关特性分区，噪声元件与非噪

29、声元件要距离再远一些。5.时钟、总线、片选信号要远离I/O线和接插件。6.关键的线要尽量粗，并在两边加上保护地。高速线要短且直。7.对噪声敏感的线不要与大电流，高速开关线平行。8.石英晶体下面以及对噪声敏感的器件下面不要走线。9.弱信号电路，低频电路周围不要形成电流环路。10.任何信号都不要形成环路，如不可避免，让环路区尽量小。总 结这次毕业设计历时几个月，从一开始的确定课题，到后来的资料查找、理论学习，这一切都使我的理论知识和动手能力进一步得到提高。通过这次毕业设计，加深了对书本知识的理解，了解到书本理论知识与实际应用的距离，使我对数字电子系统的设计开发有了近一步的理解。实际设计中所获得的经

30、验是难能可贵的，理论与实际总是存在差距，电子设计不应该单单停留在理论的水平，更应该积极实践，从实践中吸取经验教训，从而不断进步。在理论上正确无误的设计，在实际中往往存在各种问题。这样，在设计时就必须考虑，系统在实际运用中能否正常工作、可能产生的各种情况及各种干扰引起的误差。毕业设计使我学会了从实际出发设计系统，而不仅仅考虑理论上的可行性。在这一个充满挑战伴随挫折，充满热情伴随打击的过程中，我感触颇深，它已不仅是一个对我四年学习知识情况和我的应用动手能力的检验，而且还是对我的钻研精神，面对困难的心态，做事的毅力和耐心的考验。我在这个过程中深刻的感受到了做毕业设计的意义所在，和我一样真正投入了身心

31、去做的人也一定会有同样的感触。作为我们的指导老师，对我们悉心指导，解答难题，提出好的建议，给予我们力所能及的帮助，使我们的设计少走了不少弯路。毕业设计使我迈出了从学校过渡到社会的第一步，对我今后的人生是一个有益的开始。 参考文献1.杨志忠.数字电子技术.第二版。M.北京：高等教育出版社，2003.4-202.李海.74系列芯片手册M.重庆：重庆大学出版社,1999年9月3.柳春锋.Protel 99 SE实用教程.M.北京：高等教育出版社，2007.22-464.杨志忠.数字电子技术.第二版。M.北京：高等教育出版社，2003.171-1775.柳春锋.Protel 99 SE实用教程.M.北

32、京：高等教育出版社，2007.71-806.何立民.单片机应用系统设计系统配置与接口技术M.北京：北京航空航天大学，1990.35-467.杨志忠.数字电子技术.第二版。M.北京：高等教育出版社，2003.205-2198.林涛.数字抢答器的设计.北京工商大学学报(自然科学版)2008年第12期第16-22页9.江国强.现代数字逻辑电路M.北京：电子工业出版社，2002 .78-8910.克劳斯贝伊特数字技术.M.北京：科学出版社，1999.36-4711.Donald A.Neamen. Electronic circuit analysis and designM.Tsinghua University Press and Springer Verlag，2002.67-78附 录附录1：系统原理图